Человеческая рука отличается удивительной универсальностью: она одновременно может удерживать тонкие предметы вроде иглы, откручивать крышки, поднимать сумки за ручку и хватать крупные объекты. Традиционные робототехнические системы требуют сложной конструкции с множеством суставов и моторов для достижения подобной функциональности. Разработчики робота BioflexBot избрали иной путь, отказавшись от копирования анатомии человеческой руки. Они собрали манипулятор, используя всего три компонента: спиральную пружину, эластичную оболочку и пневматическую систему. Два воздушных канала обеспечивают роботу возможность выполнять щипковый захват мелких деталей, вращать предметы, цеплять их крюком и полностью их обхватывать.
Поведение BioflexBot во многом определяется его конструкцией. Когда воздух поступает в систему, пружина деформируется, изгибаясь, скручиваясь, растягиваясь или сжимаясь. Окружающая оболочка контролирует эту деформацию и направляет движение в нужное русло. Благодаря такому подходу отпадает необходимость в отдельных двигателях для каждого пальца или сустава. Разработчики фактически переместили часть управления из программного кода в саму механику: форма и упругость деталей предопределяют реакцию манипулятора на изменения давления.
Универсальность манипулятора проверялась на работе с миниатюрными предметами. BioflexBot успешно захватывал и перемещал акупунктурную иглу, а также использовался для переноса жидкостей с помощью пипетки. Во втором случае требовалось аккуратно удерживать хрупкий лабораторный инструмент и сохранять его стабильное положение при работе с жидкостью. Результаты продемонстрировали, что пневматическая система подходит не только для грубого захвата крупных объектов, но и для точной работы.
Испытания на вращение показали, что BioflexBot может повернуть крышку бутылки на угол, превышающий возможности человеческой кисти почти в четыре раза. Такой диапазон движения возможен благодаря скручиванию всей гибкой конструкции целиком. Обычному роботизированному манипулятору пришлось бы синхронизировать движения нескольких пальцев и суставов для достижения аналогичного результата.
При тестировании крюкового захвата робот демонстрировал способность изгибаться и подцеплять предметы за ручку или дужку, удерживая их без полного обхвата. Для переключения между различными типами захвата не требовалось менять насадку или устанавливать специальное приспособление — одна и та же гибкая конструкция автоматически принимала нужную форму.
При полном обхватывании BioflexBot демонстрировал удивительную адаптируемость к предметам различных размеров. Во время испытаний максимальный захватываемый объект оказался почти в 13 раз больше, чем предметы, с которыми могут работать аналогичные роботизированные системы. Такие результаты достигаются за счёт способности манипулятора изменять свою геометрию полностью, а не просто раздвигать пальцы на фиксированное расстояние.
По продольному диапазону движения BioflexBot также превосходит возможности человеческой кисти. Манипулятор способен растягиваться и сокращаться в 3,5 раза больше, чем в используемом авторами сравнении. Такая гибкость позволяет дотягиваться до удалённых предметов, проникать глубже в узкие пространства и передавать объекты в местах, где жёсткий манипулятор не хватает длины или подвижности. BioflexBot также может последовательно переносить несколько объектов.
Практическая применимость робота проверялась в трёх сценариях. Первый предполагал использование BioflexBot для осмотра лопаток авиационного двигателя. Внутри двигателя детали расположены на минимальном расстоянии друг от друга, что создаёт трудности для обычных жёстких манипуляторов. Гибкая конструкция BioflexBot может вытягиваться и изгибаться между элементами конструкции, сохраняя при этом функциональность захвата.
Второе испытание включало установку манипулятора на гуманоидного робота для выполнения повседневных операций с различными предметами. Задача требовала быстрого переключения между разными типами захвата без замены рабочего органа. BioflexBot успешно менял конфигурацию за счёт изменения давления воздуха и выполнял несколько операций одной конструкцией.
Третье испытание проводилось в химической лаборатории, где BioflexBot принимал участие в научном эксперименте. Лабораторная работа требует сочетать точные движения с захватом ёмкостей и других предметов разного размера. Предыдущие тесты уже подтвердили способность манипулятора обращаться с хрупкими инструментами, а большой диапазон деформации позволил использовать одну конструкцию для работы с крупными объектами.
Разработчики называют заложенный в устройство принцип структурным и физическим интеллектом. Поведение робота частично определяется геометрией и механическими характеристиками корпуса: после поступления воздуха пружина и оболочка самостоятельно направляют деформацию по предварительно заданной траектории. Система управления не должна рассчитывать положение множества суставов отдельно. В области мягкой робототехники этот принцип известен как морфологические вычисления, когда характеристики корпуса помогают выполнять функции, которые в жёстком роботе потребовали бы дополнительных приводов и более сложных вычислений.
Простая конструкция одновременно даёт BioflexBot точный щипковый захват, вращение, крюковой захват, широкий обхват и значительный продольный ход. При этом управление всеми движениями осуществляется всего через два пневматических входа. Авторы планируют применить данную схему при создании экономичных манипуляторов для промышленности, научных лабораторий и гуманоидных роботов.
В настоящий момент BioflexBot остаётся экспериментальным образцом. Следующий этап разработки предусматривает полную автоматизацию системы, чтобы робот мог самостоятельно выполнять все продемонстрированные операции без необходимости ручного управления пневматической системой.
